Гельфер Я.М. История и методология термодинамики и статистической физики (1185114), страница 5
Текст из файла (страница 5)
В этом обширном произведении Вольф не только рассматривает чисто физические вопросы, но излагает также и свое философское кредо, в существенных пунктах близкое к философской концепции Лейбница. Книга Вольфа была широко известна на Западе и пользовалась популярностью в ученых кругах. В сокращенном виде она вошла в сочинение его ученика Л. Тюминга «Основания вольфианской философии», написанное специально для петербургских академиков и изданное в 1725 г. С этого издания М.
В. Ломоносов перевел на русский язык (1746) шестой раздел под названием «Вольфианская экспериментальная физика», содержащий основы физического мировоз- 20 зрения Вольфа. Это был первый учебник физики в России. Впервые в русском ученом языке появились наименования теплофизических приборов — термометр, барометр, гигрометр, а также научных терминов — атмосфера, упругость и др. Вольф в своем сочинении весьма пространно говорит о свойствах и природе теплоты, которую он рассматривает как особое вещество, могущее при известных условиях переходить от одного тела к другому.
Вольф не только теплоту рассматривал как флюид. С этой же метафизической позиции он подходил и к электрическим и магнитным явлениям. Физические взгляды Вольфа являются следствием его общей философской концепции, идеалистической в своей основе. В защиту теории теплорода Вольф приводил ряд аргументов: расширение тел при нагревании, выделение теплоты при трении, действие охлаждающих смесей. Известны были и другие опытные факты в области тепловых явлений, которые сторонники теории теплорода истолковывали в соответствии со своими взглядами.
Некоторые разногласия возникли, например, по вопросу, имеет теплород вес или не имеет. Дело в том, что во время своих опытов по прокаливанию металлов Бойль нашел, что в результате прокаливания они несколько увеличиваются в весе. Для объяснения этого факта необходимо было допустить, что теплород весом. Но подобное предложение находилось в противоречии с другими фактами. Поэтому некоторые ученые склонны были считать, что увеличение веса металла при нагревании является не следствием того, что в них входит весомый теплород, а следствием иных причин, например того, что в поры металлов при их нагревании входят «сернистые части огня>. В дальнейшем спор был решен в пользу невесомости теплорода. Следует упомянуть еще об одном важном факте, являвшемся, по мнению последователей теории теплорода, убедительным аргументом в ее пользу. Речь идет о явлении т е п л о в о г о и з л у ч ем и я, открытого в «Академии опыта».
Еще в древности было известно, что с помощью вогнутых зеркал можно «концентрировать» солнечную теплоту. В некоторых средневековых трактатах упоминается о возможности с помощью таких же зеркал отражать и «холодные лучи». Флорентийские академики специально поставленными опытами наглядно подтвердили эту возможность. Они помещали большой кусок льда на значительном расстоянии от вогнутого зеркала, в фокусе которого помещался термоскоп. Другой, контрольный, термоскоп фиксировал температуру окружающей среды.
Термоскоп, находящийся в фокусе зеркала, показывал значительно меньшую температуру. Уровень жидкости в этом термоскопе вновь повышался, когда между ним и зеркалом помещался экран. Это показывало, что охлаждение не было вызвано непосредственным действием льда, а только «холодными лучами», которые были сфокусированы зеркалом. Аналогичным путем флорентийские академики изучали и тепловое излучение нагретых тел. Результаты опытов объяснялись просто 21 концентрацией теплорода, переносимого лучами от нагретого тела к зеркалу. Вещественная теория теплоты приводила к выводу, что теплота не может ни возникать, ни уничтожаться, а только перераспределяется между телами. Исследования, ставившие своей целью выяснение характера перераспределения тепла между нагретыми телами, находящимися в тепловом контакте друг с другом, стали появляться в 20 — 30-х годах ХЧ1П в.
Эти исследования положили начало формированию важнейшего термодинамического понятия теплое м кости тела, а также разграничению понятий о температуре и количестве теплоты. 5 2. Формирование основных понятий Понятия температуры, количества теплоты и теплоемкости. Исследования Рихмана В первой половине ХЧП1 в. различий между понятиями «температура» и «количество теплоты» не существовало. Правда, Амонтон в одной из своих работ высказал мнение, что термометр измеряет не количество теплоты, а «степень нагрева тела» '4. Однако это замечание на фоне состояния науки того времени осталось незамеченным. Латинское слово «са1ог», имевшее широкое распространение, употреблялось в двух смыслах: и как температура, и как количество теплоты. Обороты речи вроде «тело потеряло столько-то градусов теплоты» были обычными в научных трактатах той эпохи.
Всеобщим убеждением было то, что с помощью термометров измеряется количество теплоты тела. Калориметрические исследования, начало которым было положено в это время, значительно способствовали укреплению представления о теплоте как веществе, поскольку при смешении различно нагретых жидкостей, а также льда и воды всегда наблюдалось выполнение основного положения вещественной теории— количество теплоты оставалось во всех случаях неизменным. Именно это положение и явилось краеугольным камнем всей калориметрии. Наиболее ранние исследования, которые можно считать калориметрическими «80~, связаны с именами Г. Бургаве и Фаренгейта.
Так, последний изучал «теплоту» смеси горячей и холодной воды. При этом он нашел, что если взять горячую и холодную воду в равных объемах, то «теплота» смеси будет равна средней арифметической «теплот» горячей и холодной воды. В других опытах Фаренгейт определял «теплоту» смеси различно нагретых воды и ртути. Оказалось, что если температура !«теплота») воды выше «теплоты» ртути, то температура 1«теплота»! и бег! ап д Е. ОЬег Агпоп1оп'а ппд ЬатЬег1'а Чегй!еп»1е шп Ше тйеггппгпе1г!е. 2е!1аеьг!!! !йг !п»1гпгпеп1еп!гппйе, 1888, Вй. 8, 8.
3!9. 22 смеси выше средней арифметической, в противном случае«теплота» смеси оказывалась ниже среднеарифметической «теплоты», Объемы воды и ртути были одинаковы. Говоря об этих опытах в своих «Элементах химии> (1732), Бургаве сообщает, что подобные опыты производил и он сам, получив такие же результаты. На основании этих опытов Бургаве приходит к заключению, что в равных объемах различных тел должно содержаться одинаковое количество тепла, поскольку термометр, приложенный к телам, в конце концов показывает одну и ту же «теплоту». Любопытно, что наряду с этим Бургаве утверждал, что с помощью термометра можно определить отношение количеств теплоты в двух телах.
Тот метод, который позже получил наименование в калориметрии «метода смешения», был впервые применен английским математиком Бруком Тэйлором в 1723 г. и позже усовершенствован Г. Рихманом, о чем будет сказано дальше. Тейлор, так же как и его современники, не различал еще понятий температуры и количества теплоты. Несколько иной метод калориметрических исследований применял английский врач Дж. Мартин. Свой метод он назвал «методом постоянной подачи теплоты» (1)те шерпоб о1 сопз1ап1 )1еа1 зцрр1у) 180, р.
27]. Этот метод был также применен Рихманом при изучении скорости нагрева и охлаждения тел. Сам Мартин нашел в 1740 г., что у равных объемов ртути и воды температура ртути при охлаждении понижается быстрее в два раза посравнению с температурой воды. В сочинении Мартина <Медицинские и философские опыты» 'а (1740) имеется ряд работ, специально посвященных вопросам термометрии и калориметрии.
Эти работы показывают, что в некоторых случаях он правильно понимал отношение между температурой и количеством теплоты. Он, в частности, критически относился к высказываниям Бургаве относительно того, что термометр измеряет отношение количества тепла в двух телах. В ответ иа это он писал: «Отноимние между двумя измеренными температурами двух тел не имеет никакого интереса — интерес представляет только их разность.
Мы можем измерять только арифметическую разность температур двух тел» (75, 5. 101]. Таким образом, мы видим, что ни один из авторов, о которых мы сейчас говорили, не имел четких представлений ни о температуре, ни о количестве теплоты, ни о теплоемкости. В этом отношении фундаментальное значение имели калориметрические и теплофизические. экспериментальные исследования петербургского академика Рихмана. Они в большой степени способствовали формированию указанных трех понятий термодинамики, а также послужили отправной точкой для работ других физиков — Блэка, Вильке н др.
'ь Смл М а т11п О. Еззауа тежса1 апд рЬ|1осоруйса!. Еопдоп, 1740. См. также [73, 3. 92). 93 Рихман значительно усовершенствовал и широко применял в своих исследованиях оба калориметрических метода — метод смешения и метод постоянной подачи теплоты. Как будет видно из последующего, это привело его к важнейшим выводам и обобщениям. Следует, однако, отметить, что результаты своих экспериментов Рихман в полном соответствии с духом своего времени рассматривал и трактовал на основе вещественной теории теплоты.
Рихман на первых порах также еще не различал понятий температуры и количества теплоты. По-видимому«первым физиком, указавшим на необходимость различия этих двух понятий, был Ламберт, который в своем сочинении «Опыт о силе теплоты, с какой она расширяет тела, и о ее измерении»'а (1755) говорит о количестве теплоты и температуре как о различных понятиях. Но это замечание Ламберта осталось не замеченным современниками, которые, видимо, не поняли его. Работы Рихмана в области тепловых явлений состоят из двух тесно связанных между собой групп исследований: калориметрических и теплофизических. Последние посвящены изучению процесса охлаждения нагретого тела [5!].
Начало калориметрических исследований относится к середине 40-х годов ХЧП1 в. Поводом к ним послужило сообщение петербургского академика Г. Крафта «Различные опыты с теплотой и холодом» (1744), в котором впервые в истории физики было предложено определять «теплоту» (температуру — Я. Г.) смеси горячей и холодной воды по эмпирической формуле Х тп +8'" та+ба где Х вЂ” «теплота» смеси, а и Ь вЂ” массы смешиваемых объемов воды, и и п — их температуры, у и б — постоянные коэффициенты, величина которых определяется из опыта.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
